裂缝模型声波衰减系数的数值模拟

超声波数据是研究碳酸盐岩储层孔隙结构的重要资料,超声波响应可用来反演孔隙结构.本文从声波波动理论出发,以裂缝模型为研究对象,开展超声波数值模拟研究.结果表明:随着裂缝孔隙度的增加,岩石声波衰减系数总体呈上升趋势,但孔隙度增长方式不同,衰减系数的递增函数规律亦不同;随着裂缝延伸方向与声波激发方向的夹角增大,岩石声波的衰减系数线性增加;衰减系数随着裂缝密度增大呈幂函数规律递增;利用数值模拟的方法能避免人为误差、节约实验成本,为裂缝结构的岩石声波实验研究拓展了思路.     

极区电子沉降对电离层影响的模拟研究

在极区电离层模式中,考虑了软电子沉降引起的电离,并对差分方法的应用提出了改进意见.模拟了不同特征的沉降电子对极区电离层的影响,发现平均能量低的电子束能够形成明显的电离层F层,平均能量较高的电子束能使得最大电离的高度下移,形成明显的E层,甚至其电子浓度高于F层.将电子沉降的卫星测量结果作为电离层模型的输入,所得F层临频与观测结果符合较好.通过分析中山站电离层统计结果,综合电子沉降在极隙区的分布特征和上述模拟结果,认为中山站磁中午现象主要由电子沉降所致.     

极区电子沉降对电离层影响的模拟研究

在极区电离层模式中,考虑了软电子沉降引起的电离,并对差分方法的应用提出了改进意见.模拟了不同特征的沉降电子对极区电离层的影响,发现平均能量低的电子束能够形成明显的电离层F层,平均能量较高的电子束能使得最大电离的高度下移,形成明显的E层,甚至其电子浓度高于F层.将电子沉降的卫星测量结果作为电离层模型的输入,所得F层临频与观测结果符合较好.通过分析中山站电离层统计结果,综合电子沉降在极隙区的分布特征和上述模拟结果,认为中山站磁中午现象主要由电子沉降所致.     

低太阳活动期间极区ELDI的EISCAT/ESR雷达观测

本文利用2009—2011年EISCAT/ESR雷达的场向观测数据,统计研究了低太阳活动期间极区E层占优电离层(ELDI)事件的发生规律及其主要特征.地面雷达观测表明,极区ELDI表现出明显的季节变化特征:在冬季和早春发生率较高.EISCAT雷达(极光椭圆纬度)观测到的ELDI多出现在磁午夜扇区,平均持续30 min;ESR雷达(极尖/极隙区纬度)观测到的ELDI多出现在磁正午附近,平均持续14 min,表现出与之前无线电掩星观测结果不一致的日变化特征.在ELDI事件期间,两处雷达观测到的电离层NmE/NmF2比值和E层厚度都没有表现出显著的空间差异.事例分析证实E层电子增强和F层电子密度耗空都能够独立地导致ELDI,然而,统计分析表明上述两个过程对ELDI的形成都起着不可或缺的作用.     

EISCAT雷达观测到的极区电离层等离子体反常对流

综合分析EISCAT雷达与卫星当地测量数据,并利用磁层磁场模式对磁力线进行追踪,研究了发生在极光椭圆朝极盖边界附近电离层中,一例反常的背离太阳流动的强等离子体对流事件,及相关的太阳风-磁层-电离层耦合过程.结果表明,磁暴期间IMFBz指向南时观测到这一反常高速对流,及其相应的等离子体性态特征,很可能是向阳侧磁层顶磁重联过程在电离层中的印记.     

EISCAT雷达观测到的极区电离层等离子体反常对流

综合分析EISCAT雷达与卫星当地测量数据,并利用磁层磁场模式对磁力线进行追踪,研究了发生在极光椭圆朝极盖边界附近电离层中,一例反常的背离太阳流动的强等离子体对流事件,及相关的太阳风-磁层-电离层耦合过程.结果表明,磁暴期间IMFBz指向南时观测到这一反常高速对流,及其相应的等离子体性态特征,很可能是向阳侧磁层顶磁重联过程在电离层中的印记.     

抚仙湖秋、冬季光衰减特征及其与有色可溶性有机物的关系

为了研究抚仙湖紫外辐射(UVR)和光合有效辐射(PAR)衰减的时空特征及其与有色可溶性有机物(CDOM)、悬浮物(SS)、浮游植物(叶绿素a表征)等因子的关系,于2014年10月(秋季)、2015年1月(冬季)开展现场调查,结果显示:秋季不同波长(段)的漫射衰减系数Kd(305)、Kd(340)和Kd(PAR)分别为1.27±0.12、0.68±0.11和0.32±0.13 m-1,冬季分别为1.13±0.10、0.63±0.07和0.36±0.07 m-1;秋季CDOM的不同波长吸收系数ag(254)、ag(305)和ag(340)分别为4.09±0.26、1.18±0.09和0.57±0.05 m-1,冬季分别为2.95±0.24、0.61±0.11和0.11±0.07 m-1,秋季ag(254)、ag(305)和ag(340)显著高于冬季;秋季Kd(305)显著大于冬季,这与秋季(雨季)较高的CDOM丰度、浮游植物生物量(及SS浓度)有关.秋季ag(305)/Kd(305)、ag(340)/Kd(340)均显著高于冬季;秋季及秋冬季整体而言,ag(254)与Kd(305)、Kd(340)呈显著正相关,各多元逐步回归方程中均包含ag(254),说明CDOM吸收对UVR的衰减有重要贡献.空间差异方面,秋季北部的ag(254)、Kd(305)和Kd(340)显著高于南部,冬季南北部无明显差异,或与雨旱季北岸河流输入的CDOM和SS的情况有关.此外,浮游植物对UV-B衰减的影响和SS(与CDOM的交互作用)对UV-A衰减的影响更在于季节变化方面,而影响UVR、PAR衰减的各因子的相对贡献有待进一步量化.     

长江中下游浅水湖泊沉积物再悬浮对水下光场的影响研究--以龙感湖和太湖为例

基于2003年7月在龙感湖、太湖梅梁湾以及2004年7月在太湖站栈桥的连续不同风浪条件下水下光场原位观测资料,分析风浪作用引起的沉积物再悬浮对PAR衰减,吸收系数及真光层深度的影响.结果表明,在龙感湖,小风浪、中风浪和大风浪的PAR衰减系数分别是1.74,2.02,2.45 m-1,400～700 nm光谱衰减系数变化范围分别为0.98～2.97,1.34～3.95,1.82～5.40 m-1;在太湖梅梁湾,小风浪、中风浪和大风浪PAR衰减系数分别是2.63,3.72,4.37 m-1,从小风浪到、中风浪、大风浪衰减系数分别增加了41％,66％;太湖站栈桥边PAR波段积分CDOM吸收系数在中风浪和大风浪的值分别为0.26,0.28 m-1,浮游植物吸收系数从中风浪到大风浪反而由0.76降低到0.49m-1,沉积物再悬浮引起非藻类颗粒物的吸收则由0.94增加到1.73 m-1,增加了84％,总悬浮物颗粒物吸收由1.70增加到2.22 m-1,增加了30.6％.非藻类颗粒物吸收对总吸收系数贡献最大,中风浪、大风浪下贡献率分别达44.14％,65.05％.龙感湖,梅梁湾,栈桥边3站点从中风浪到大风浪,PAR真光层深度分别降低0.40,0.19,0.20 m.透明度、PAR衰减系数、真光层深度与悬浮物浓度、风速、波高等均存在显著性线性相关,并且与悬浮物中无机颗粒物相关性最好,而与叶绿素a、脱镁叶绿素及溶解性有机碳相关性很低.由此可见,在龙感湖和太湖等长江中下游浅水湖泊,风浪扰动引起悬浮物浓度的增加尤其是无机颗粒物的增加是影响水下光场的主导因素.     

基于"嫦娥一号"激光测高数据的月球极区光照条件研究

月球极区光照模型为研究月球车着陆点选择和水冰存在的探测提供了依据.利用"嫦娥一号"探月卫星获取的激光测高数据,得到了全月面高精度的数字高程模型(DEM),特别是在月球两极地区,地形细节清晰可见,为极区光照模型的建立提供了精确的数据基础.本文通过由测高数据建立的DEM和月球轨道参数相结合,采用地形最大高度角法,对月球极区的光照条件及其应用进行了研究和分析.光照率的计算周期为19年,考虑了黄道和白道交点进动的影响(18.6年).计算结果表明:(1)未发现有持续光照区;(2)有长久阴影区存在;(3)在南极或北极的夏季,撞击坑边沿高地处可以享受到连续的光照;(4)Shackleton撞击坑可以作为月球车着陆的首选目标之一.     

云南程海真光层深度的时空分布及其影响因子

程海位于云南省丽江市永胜县,是高原封闭型深水湖泊的典型代表.为了揭示程海真光层深度的时空分布及其影响因子,于2016年3月-2017年2月在程海布设9个点位开展逐月调查.结果显示：光合有效辐射漫射衰减系数、真光层深度的年均值分别为1.06±0.25 m^-1、4.64±1.27 m;空间变化方面,无论"北、中、南部"还是"西、中、东部",全年、逐月及雨旱季的真光层深度均无显著差异;时间变化方面,5月的真光层深度最高（6.49±1.03 m）、7月的最低（3.63±0.48 m）,且全年、雨季、旱季的各月份间差异显著;回归分析发现,浮游植物生物量是程海真光层深度的最主要影响因子,悬浮物浓度次之（主要在雨季）,有色可溶性有机物的影响甚微.为进一步识别程海真光层深度的间接影响因子,本文还分析了浮游植物生物量与生态因子的相关性.本研究可为程海的保护和治理积累数据并提供借鉴.     

极区电离层闪烁指数和对流速度关系的建模研究

电离层对流速度会显著影响电离层闪烁的发生,尤其是在具有较大对流速度的高纬极区,且其对相位闪烁指数和幅度闪烁指数影响各不相同.本文基于弱散射条件下电离层闪烁理论,初步构建了极区电离层闪烁指数与对流速度的显式关系模型,模型结果表明当相位谱指数取定值3时,相位闪烁指数和幅度闪烁指数的比值与对流速度存在线性关系;进而,利用加拿大Hall Beach台站的观测数据,验证了由电离层闪烁指数比值推断电离层对流速度这一方法在极区的适用性.这不仅提升我们对电离层闪烁机理的认识,也提供了一种获取极区电离层对流速度的新途径,将有助于改善和提高我国北斗全球导航系统的服务精度.

     

黏弹性介质中瑞利波频散曲线和衰减系数曲线的反演

瑞利波具有能量大、信噪比高等特点,可以用来反演介质内部的力学信息,近年来在浅层地球物理勘探、深层地震学研究以及超声波无损检测等多个领域都有较广泛的应用。目前大多数瑞利波的应用中都假设介质是弹性的,然而实际中岩石、土壤和金属等介质都在一定程度上体现出了黏弹性。当介质的黏弹性较强时仍然采用弹性假设研究其中瑞利波的反演将增大误差,因此有必要考虑黏弹性介质中的瑞利波反演,但是目前这方面的研究仍不够深入。本文研究黏弹性介质中瑞利波频散曲线和衰减系数曲线的反演问题,给出其在半空间中联合反演的方法,并对该方法的误差进行分析。     

基于矩阵算法的海洋-大气耦合矢量辐射传输数值计算模型

基于矩阵算法开发了适用于精确计算海洋-大气耦合矢量辐射传输方程的数值计算模型- PCOART. PCOART首先将矢量辐射传输方程进行傅里叶展开, 得到与方位角独立的矢量辐射传输方程. 进一步离散天顶角, 得到矢量辐射传输矩阵方程, 并利用加倍法进行数值求解. 根据辐射在海洋-大气界面的反射和折射性质, 将海洋和大气矢量辐射传输过程进行耦合, 得到海洋-大气耦合介质系统的矢量辐射传输数值计算模型. 通过与MODIS精确瑞利散射查找表的比较, 说明PCOART计算瑞利散射辐射的Stokes矢量是精确的, 其对多次散射和偏振的处理是正确的. 同时, 通过Mobley水体辐射传输标准问题的验证, 说明PCOART适合于计算水体辐射传输问题. PCOART是精确计算海洋-大气耦合介质系统矢量辐射传输的得力工具, 它为进一步深入研究海洋-大气耦合介质系统辐射传输的偏振特性及遥感信息反演打下基础.     

臭氧含量变化对星载红外高光谱探测仪亮度温度模拟的影响

本文以搭载在风云三号D星上的红外高光谱探测仪(High-Spectral Infrared Atmospheric Sounder,简称HIRAS)为例,评估了通用快速辐射传输模式RTTOV(版本12)中臭氧含量空间和季节变化对模拟的红外高光谱探测仪亮度温度的影响.分析2019—2020年AIRS反演的全球臭氧浓度分布发现：臭氧主要集中在平流层1～50 hPa的高度,有明显的纬度带分布和季节变化;赤道地区臭氧浓度高,两极地区臭氧浓度低,变化范围约8 mg/m³.同一地点臭氧浓度有较明显的季节变化,变化幅度在±3 mg/m³之间.用RTTOV模拟的HIRAS亮度温度对臭氧浓度变化的强敏感区主要在中心波长9.8μm的臭氧强吸收带波段,引起的亮温差可以达到几K的量级,其余通道(尤其是窗区)对臭氧浓度变化不敏感.RTTOV中给出的臭氧浓度缺省值在中低纬度地区偏低,而在极区赋值则偏高,使得模拟的HIRAS臭氧吸收通道亮温值在极区偏高、赤道地区偏低.贴近真实分布的臭氧浓度反演值模拟的9.8μm的亮温比用缺省值模拟的亮温更接近观测值,观测O与模拟B差(O-...     

GPU加速的水体辐射传输Monte Carlo模拟模型研究

水体辐射传输方程是复杂的微积分方程,只能利用数值方法求解,如Monte Carlo光线追踪法、不变嵌入法、离散坐标法等,其中,Monte Carlo方法是目前解决水体水下光场三维问题的唯一有效方法.根据辐射传输理论,开发了水下光场的Monte Carlo模拟模型,主要包含大气、水-气界面、层化水体和水底边界4个模块.实现了模拟任意太阳角度、不同水体固有光学属性和任意深度条件下,考虑大气、粗糙水面和水底边界的水下光场,能够获取辐亮度、辐照度等辐射量的空间分布.该模型暂不考虑Raman散射、偏振、内部光源的影响.实现了GPU加速水下光场Monte Carlo模拟,并用Mobley等提出的海洋光学标准问题中的问题1~6进行验证.在两种计算环境下,通过对不同边界条件下的CPU、GPU运行时间及加速比的对比,发现GPU计算可以达到几百至上千倍的加速比.     

地基热红外亮温遥感云底高度可行性的模拟研究

本文利用Modtran40模式比较系统地研究了不同强度（以地面能见度表示）和不同类型气溶胶情况下,晴空和各种云所形成的天空红外亮温Tb (Infrared Brightness Temperature)随地面观测天顶角的变化,从中发现利用Tb观测来遥感云底高度CBH（Cloud Base Height）的可行性,以及定量分析气溶胶层的影响.并且根据模拟计算结果,推出了由地面温度和湿度来计算晴天和不同CBH的中低云天天顶Tb的统计算式,以及由观测Tb和地表温、湿值反演CBH的方法.从模式计算和试验的初步结果可以看出：对于低云和中云,地基观测的Tb对CBH的变化有相当的敏感性,因此可以用于CBH的反演.地面气溶胶（能见度和气溶胶类型）对天空背景Tb有明显的影响,必须加以订正.但由于其影响对不同天顶角的贡献有一定的规律性,因此有可能得到较好的订正.     

基于Matrix-Doubling方法的三维森林雷达后向散射模型的改进

辐射传输方程已广泛应用于森林雷达后向散射模拟.基于辐射传输方程建立起来的三维森林雷达后向散射模型可以考虑林分结构对后向散射的影响以及冠层、树干等与地表的二次散射.它可以较准确地估算同极化后向散射.但三维森林雷达后向散射模型只考虑了冠层内部的一次散射,而交叉极化主要来自于冠层体散射,因此模型常常低估交叉极化.为了提高模型对交叉极化的估算能力,将Matrix-Doubling方法引入到三维森林雷达后向散射模型中,用以计算冠层体散射.将改进模型的计算结果与原模型的计算结果进行了比较,并且使用野外观测数据和AIRSAR数据对改进模型做了验证.结果表明,对于不同密度的森林,模型对交叉极化的估算能力在一定程度上得到了改善.     

大气污染对北京冬季城市和郊区辐射收支影响的观测分析

近年来城市化和大气污染对辐射收支的影响日益显著.本研究利用2013-2014年中国科学院大气物理研究所325m铁塔、南郊观象台、密云气象塔、上甸子区域大气本底站四个观测站点的辐射及自动站气象要素数据,采用南郊观象台的能见度资料将观测数据分为清洁天和污染天,并进行类比分析,以1月份为例,研究了北京地区大气污染和城郊差异对辐射收支的影响.结果表明：（1）从月平均值来看,各站污染天入射短波辐射均小于清洁天,衰减最大可达55.8 W·m-2,直接辐射亦然,衰减最大可达161.1 W·m-2,散射辐射相反,增加最大值为72.2 W·m-2;长波辐射污染天大于清洁天,向下向上长波辐射增加最大值分别为85.0 W·m2和70.0 W·m-2,且长波辐射的衰减与污染物浓度和大气温度相关;净辐射白天污染天小于清洁天,夜间相反.（2）从各站的对比可知,大气污染对入射短波辐射的衰减,南部郊区（13.2%）大于北部城区（7.4%）,与北京地区“南北两重天”的污染物分布特征一致;且污染物对长短波辐射的影响呈现了从城区到郊区衰减率依次减小的现象.本研究为大气污染与气象条件的相互作用研究提供了观测基础.     

海浪破碎对海面微波后向散射系数的影响

在海面波破碎区，假定随机粗糙的海面被两层不同散射性质的球形粒子覆盖，上层是由海面飞沫组成的球形Ｒａｙｌｅｉｇｈ粒子层，下层是由气泡组成的球形Ｍｉｅ粒子层，根据大量观测和实验的统计结果，确定了两层散射粒子的平均半径和单位体积的粒子数；并用迭代法求解随机粗糙海面上的两层粒子的矢量辐射传输方程．根据风波破碎时白冠覆盖率和海面飞沫、气泡的统计模型，给出了一个新的风驱海面的微波散射理论模型．利用这一模型定量地给出了海面后向散射系数和风速、视角、极化和白冠覆盖率等特征参量之间的函数关系，并研究了覆盖在波破碎区的散射粒子对海面后向散射系数影响程度．     

星载微波ERS-1和多通道SSM/I观测海洋的相关性和随机粗糙面复合模型的数值模拟

欧洲遥感卫星（ERS）和美国防卫气象卫星计划（DMSP）空对地微波遥感是当今研究全球大气地表微波散射辐射和反演地球物理与水文参数的主要数据来源．本文研究了ERS－1散射计和SSM／I多通道辐射计在中国海域观测到的后向散射和热辐射数据,论证了同一地区同一时间段内ERS主动散射计和SSM／I被动辐射计观测数据的相关性．用海域主、被动遥感数据的比较,阐述了主、被动联合多通道分析方法有利于监视和分析复杂地表和海面在时间和空间尺度上的变化．用带泡沫散射层的双尺度随机粗糙面的复合模型计算后向散射和热发射,用以数值模拟ERS和SSM／I数据．并讨论了后向散射与热辐射数值模拟结果的相关性,以及与星载微波遥感器实际观测结果的比较．